【模具案例】Bastech公司用3D Systems金属3D打印随形冷却水路模具,模具总成本降低16%

Bastech公司在注塑制模过程中采用3D Systems公司的端对端流程进行随形冷却,缩短了注塑成型时间,同时使温度保持恒定;编程时间和加工制作时间的缩短产生了较大的效益。

自工业注塑制模发展之初,如何使模具表面保持恒温就一直是摆在人们面前的一大难题。

为了使温度保持恒定,制造商们先后使用了隔板、散热器、散热管等;他们还将块状物层压在一起,并在模具上加装结构复杂的钻孔装置。

在过去的十年间,随形冷却--设计出与部件轮廓一致的冷却通道一直被认为是控制注塑制模温度的解决方案。然而随形冷却增加了模具制造的设计难度及制造复杂度,使得大部分工厂都对其望而却步。

“绝对可靠的办法”

Bastech是一家位于俄亥俄州的公司,专为生产场所、增材制造服务业及设备销售业提供一站式解决方案。Bastech一直在努力寻找保持温度恒定的办法,并相信已经找到了更简单、更高效、更经济的方法解决随形冷却问题。Bastech公司是3D Systems公司的授权金牌合作伙伴,其研究工作得到了3D Systems公司的大力帮助,3D Systems为其提供了最新的3D打印技术和专业知识。

Bastech公司在这一方面的研究取得了突破性进展,这一点记录在最近两次的基准测试。而这基于3D Systems公司的Cimatron™模具制造软件及其ProX® 200直接金属打印机。通过运用3D Systems合作伙伴--Moldex3D的软件进行随形冷却仿真设计,并使用3D Systems公司的Geomagic® Control软件对DMP打印部件进行检验。


采用Cimatron™的综合模具设计工具制造出的复杂随形冷却水道减少了14%的循环时间以及16%的总成本。

这一制造工艺是一种端对端的制造解决方案,将数字世界和物质世界简单地融合在了一起,这些都是通过3D Systems公司的产品才得以实现。

Bastech公司首席执行官本·斯托布说到,这些软件可充分发挥3D打印性能,配合能构建出表面光滑、无需太多后处理的全致密金属部件打印机,为制造定制冷却模具提供了绝对可靠的解决方案。

设计和分析自动化

Bastech公司的第一次基准测试是对两个极其相似的部件进行比较,主要是比较这两者的容量、尺寸和设计构型。其中一个部件有随形芯,3D打印而成;而另一个部件则是标准的螺旋折流结构,采用传统方法制造而成。

利用Cimatron进行随形冷却设计。Cimatron是一款专业的CAD/CAM软件,该软件涵盖了模具制造的整个周期--从报价到设计,进行工程变更,以及NC和EDM编程。Cimatron的最新版本包含了冷却设计和分析功能,这两种功能既支持传统钻孔冷却水道,又支持3D打印技术制造出的随形冷却水道。

通过紧密结合Moldex3D,Cimatron公司的注塑制模设计师们可以对充型进行自动化分析以优化冷却水道布局。

斯托布说,Cimatron和Moldex的有效融合缔造出专业级软件,可帮助经验不太丰富的工程师创造出更好的设计。由于现在对经验丰富的工具匠出现了求大于供的情况。因此这一款软件出现得太合时宜了。

Bastech公司的工程经理斯考特·杨补充道,3D打印设计需要对结构支撑设计有所了解,以创造出最符合客户需求的设计方案,并降低材料成本,减少打印时间。这一专业知识已被构建在Cimatron软件中,我们的设计师不必再在CAD软件包中不停浏览寻找复杂的内部水道,只需专心考虑自己的设计方案就可以了。

大幅节省时间和缩短交付周期

锥形螺旋是Bastech公司的第一个基准测试对象,该锥形螺旋位于空间锥面内部,主要用于工业装配。通过旋转泪滴状结构使螺旋的一端与其核心外表面平行,并与其保持恒定距离,从而制造出随形冷却水道。通过使横截面沿着锥形螺旋转动,Baste成公司可设计出这一复杂几何结构,而ProX DMP 200打印机可使该结构一次成型。

对3D打印模具进行设计花了两天时间,将设计方案在ProX DMP 200打印机上打印出来花了三天时间。为最大限度地提高生产率,Bastech公司将模具的3D打印与Bastech公司其他工程所需部件进行了充分的结合。


利用3D Systems公司的光固化成型技术并使用马氏体时效钢在ProX® DMP 200打印机上打印出的带有随形冷却水道的模芯嵌件。

ProX DMP 200打印机是一种能够替代传统制造工艺的成本合理的选择,它可以减少浪费,加快制造速度,缩短准备时间,可制造出致密金属部件,而且能打印复杂的组件。

斯托布说,它是一种可以提高我们铸造能力的工具。它赋予我们更高的周转加工能力,并可以解决工厂中遇到的瓶颈难题。使用ProX DMP 200之后,直接省去了EDM和钻孔工序,每个模具制造可节省30到40小时的时间,而且大大减少了CNC和抛光作业量。

逆流式螺旋芯采用Cimatron软件进行设计和分析,利用ProX DMP 200打印机进行3D打印,可节省40多个小时的编程和加工时间。杨说,将所有的成本都算在内,3D打印的螺旋芯比传统方法制造的螺旋芯可净节省$1,765 (18%)美元。

更重要的是,在运行过程中随形冷却模具可保持更低的温度,并可节省22%的循环时间。

斯托布说,在注塑制模中,循环时间处于最重要的地位,位居第二的是稳定控制温度的能力。

杨说,温度控制得越稳定,铸造的部件质量就越有保证。没有了温度变化引起的变形,缩短了循环时间缩短,使得模具的性能得到了巨大改善。

Benchmark 1: Baffled vs. Conformal Core    基准测试1:挡板芯vs随形芯

冷却水道挡板芯的表面积= 24.2 in2
冷却水道随形芯的表面积= 52.2 in2


随形冷却的成本节约

在第二次基准测试中,Bastech公司设计了一个由完整芯、腔和斜面构成的模具组合,并进行3D打印。在这次测试中,我们的目标是使传统设计模具与随形设计模具保持一样的温度,看一下它是如何影响冷却效果和循环时间的。

结果显示,在随形冷却设计过程中,大大减少了编程、加工及抛光时间,同时完全省去了EDM工序。Cimatron软件使随形冷却模具的设计时间从30小时缩短到了短短的7个小时,3D打印模具可节省16%的成本,约为$2,505美元。

传统模具的冷却时间为10.5秒,而随形模具的冷却时间仅为7.5秒,循环时间缩短了14%

杨说,即使在传统冷却设计与随形冷却模具设计温度保持一致的情况下,随形冷却设计可使更多液体流经更大面积的表面,因此可以更有效地对模具进行冷却。

Benchmark 2: Conventional vs. Conformal基准测试2:传统vs随形



重大的底线效应

杨说,一直以来人们都在寻求更好的冷却技术,现在我们有软件可以帮助模具制造者更好地布局型腔、型芯和镶件的位置,然后用直接金属打印技术将设计图打印出来。

斯托布说,传统冷却技术对注塑制模没有什么更好的解决办法。你只能在某几个位置钻孔,而不能像3D打印的随形冷却水道那样,可到处钻孔。在随性冷却设计中我们终于不再需要作出妥协了。

Bastech公司得到俄亥俄州和戴顿大学研究院资助购买了ProX 200 DMP打印机,因此该公司的任务之一就是与工业界分享成果。斯托布希望Bastech公司的基准测试可以向各种规模的工厂说明有绝对可靠的、端对端的解决方案可以实现随形冷却。

他说,很多模具制造商都将采用3D技术来改善自身的运营。我们愿意向其他工厂分享我们的成功,并让他们知道3D技术不仅能为他们带来成功,而且这种成功会对他们产生极大的影响。

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